JP4073014B2

JP4073014B2 - 造形装置

Info

Publication number: JP4073014B2
Application number: JP2003021617A
Authority: JP
Inventors: 学矢部
Original assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Screen Holdings Co Ltd; Dainippon Screen Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-01-30
Filing date: 2003-01-30
Publication date: 2008-04-09
Anticipated expiration: 2023-01-30
Also published as: JP2004230692A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、３次元の造形を行う造形装置に関し、いわゆる、高速プロトタイピングの分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
製品の開発に際して、従来より、様々な手法により短期間に部品や完成品の３次元モデルの製作（以下、「３次元造形」とも呼ぶ。）が行われ、３次元モデルにより製品の外観や取り扱いについて検討が行われる。
【０００３】
３次元造形としては、例えば、容器（以下、「樹脂槽」という。）内の光硬化性樹脂の表面にレーザ光を走査およびＯＮ／ＯＦＦさせながら照射し、硬化した部分を樹脂槽内へと沈降させつつレーザ光の走査を繰り返す手法（いわゆる、光造形法）、対象物の多数の断面に相当するシートを準備し、シートを積層して造形を行う手法等がよく知られている。また、特許文献１のように、インクを高速に噴射して印刷を行う手法を応用して光硬化性樹脂の液滴を複数のノズルから噴射する手法（以下、「インクジェット法」という。）も提案されている。
【０００４】
光造形法では、樹脂槽が必要な上にレーザ光を走査する光学系が複雑となるため、装置が大型かつ高価なものとなる。また、走査に時間を要するという問題も有している。そこで、特許文献２に開示されるように複数のＬＥＤ（発光ダイオード）を光硬化性樹脂の表面に近接させて走査する手法も提案されている。
【０００５】
また、光造形法では造形後に造形物に付着している不要物を取り除く手間がかかることから、さらに他の手法として、特許文献３には、３次元空間にて自在に移動可能な１つのノズルを配置し、ノズルを移動させながら自然硬化ワックスや熱可塑性プラスチック樹脂等を吐出することにより造形を行う手法が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００２−６７１７１号公報
【特許文献２】
特開平１１−２５４５４３号公報
【特許文献３】
米国特許第５，１２１，３２９号要約
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、光造形法では既述のように光硬化性樹脂を樹脂槽に貯留し、さらに硬化された樹脂を樹脂槽内へと沈降させる必要があり、装置構成および取り扱いが複雑になるという問題を有している。シートを積層する手法は造形物の後処理が不要であるが、シートの積層という高度な技術が要求される。インクジェット法は微小物体の造形には向いているが、ある程度の大きさを有する物体の造形には不向きである。
【０００８】
以上のことから、ある程度の大きさを有する造形物を製作するにはノズルから樹脂を吐出する手法が好ましいといえる。しかしながら、ノズルからの樹脂の吐出は緩やかであるため、高速な造形を容易に行うことはできない。さらに、自然硬化性ワックスや熱可塑性樹脂等を吐出する場合には、樹脂の硬化に時間を要するため、樹脂の積層を繰り返すと造形物が変形してしまい、形状精度を高めることが困難となる。
【０００９】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであり、造形材料を吐出して３次元造形を行う技術において、造形速度および形状精度を向上することを目的としている。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、造形材料を硬化させて３次元の造形を行う造形装置であって、２次元に配列された複数の吐出口から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、前記複数の吐出口からの造形材料の吐出を個別に制御する制御部と、前記複数の吐出口から吐出された造形材料に向けて光を出射する光出射部と、前記吐出部から吐出された造形材料が蓄積されるステージと、前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構とを備え、前記光出射部が、前記複数の吐出口が配列される領域に２次元に配列された複数の光出射要素を有する。
【００１２】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の造形装置であって、前記複数の光出射要素が複数の光出射要素群にグループ分けされており、前記制御部が、前記複数の光出射要素群からの光の出射を光出射要素群毎に個別に制御する。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、造形材料を硬化させて３次元の造形を行う造形装置であって、２次元に広がる吐出領域に形成された複数の吐出口から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、前記吐出領域に２次元に配列された複数の光出射要素を有し、前記複数の吐出口から吐出された造形材料に向けて光を出射する光出射部と、前記複数の光出射要素からの光の出射を個別に制御する制御部と、前記吐出部から吐出された造形材料が蓄積されるステージと、前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構とを備える。
【００１４】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の造形装置であって、前記複数の吐出口が前記吐出領域に２次元に配列されている。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、請求項３または４に記載の造形装置であって、前記複数の吐出口が複数の吐出口群にグループ分けされており、前記制御部が、前記複数の吐出口群からの造形材料の吐出を吐出口群毎に個別に制御する。
【００１６】
請求項６に記載の発明は、請求項１および２並びに請求項４および５のいずれかに記載の造形装置であって、所定方向に関して吐出口と光出射要素とが交互に配列される。
【００１７】
請求項７に記載の発明は、請求項１および２並びに請求項４および５のいずれかに記載の造形装置であって、吐出口および光出射要素のうちの一方が他方の周囲を囲む。
【００１８】
請求項８に記載の発明は、請求項６または７に記載の造形装置であって、前記複数の吐出口と前記ステージとの間の距離が、前記複数の光出射要素の先端と前記ステージとの間の距離よりも短い。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、造形材料を硬化させて３次元の造形を行う造形装置であって、ライン状の吐出領域から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、前記吐出領域に沿って配列された複数の光出射要素から吐出後の造形材料に向けて光を出射する光出射部と、前記複数の光出射要素からの光の出射を個別に制御する制御部と、前記吐出部から吐出された造形材料が積層されるステージと、前記ステージに沿って前記吐出部および前記光出射部を前記複数の光出射要素の配列方向に垂直な方向に相対的に走査する走査機構と、前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構とを備える。
【００２２】
請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の造形装置であって、前記複数の光出射要素が、前記ステージに対する前記吐出部の相対的移動方向に関して前記吐出領域の後側に位置する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る３次元の造形を行う造形装置１の構成を示す正面図である。造形装置１は、造形物が形成されるステージ１１、ステージ１１を昇降する昇降機構１２、ステージ１１の上方に配置された造形機構１３、造形機構１３にペースト状の造形材料を送り出すポンプ１４、造形材料を貯留するタンク１５、造形機構１３に造形材料を硬化させるための光（本実施の形態では紫外線）を供給する光源ユニット１６、および、各種構成を制御するコントローラ１７を備える。
【００２４】
造形材料は、光（紫外線）硬化性樹脂を主成分として有し、流動性や付着性を調整するための溶剤やその他の添加剤を含んでいる。なお、光硬化性の造形材料として、主成分である低軟化点ガラスフリットに光硬化性樹脂を混合したものを利用することにより、後処理として焼成を行って硬い造形物を製作することも可能である。
【００２５】
昇降機構１２はモータ１２１を駆動することによりステージ１１を昇降移動する。造形中はステージ１１は下方へと連続的に移動する。造形機構１３は最下部が多数の吐出ノズルが２次元に配列された造形ヘッド２１となっている。
【００２６】
図２は造形ヘッド２１の一部を示す底面図である。造形ヘッド２１には吐出口３１１を有するノズル３１と光を出射する光ファイバ３２とが交互に格子状に２次元に配列される。したがって、各ノズル３１は光ファイバ３２におよそ囲まれ、かつ、各光ファイバ３２はノズル３１におよそ囲まれる状態とされる。換言すれば、造形ヘッド２１は２次元に配列された複数の吐出口３１１から造形材料を吐出する複数のノズルの集合３１０（吐出部）と、複数の吐出口３１１が配列される領域に２次元に配列されて吐出後の造形材料に向けて光を出射する複数の光出射要素の集合３２０（光出射部）とが組み合わされた構造となっている。
【００２７】
図１に示すように、造形ヘッド２１の上方にはノズル３１からの造形材料の吐出を個別に制御するバルブ群２２が配置され、各バルブはチューブを介して１つのノズル３１に接続される。なお、バルブを高密度に配置するためにバルブ群２２は上下に多段に設けられてもよい。バルブ群２２はマニホールド２３に取り付けられ、マニホールド２３にはポンプ１４が接続される。これにより、ポンプ１４の作用により、開いているバルブに対応する各ノズル３１から造形材料が同様の速度にて吐出される。
【００２８】
一方、造形ヘッド２１の各光ファイバ３２は、バルブ群２２やマニホールド２３に設けられた隙間や脇を通り抜けて上方の光源ユニット１６に接続される。光源ユニット１６は、個別に点灯制御可能な複数の光源１６１、光源１６１からの光を一様な強度分布の光へと変換する光学系１６２、および、光ファイバ３２の端面へと光（紫外線）を入射させるミラー１６３を有する。
【００２９】
図３ないし図５は、ステージ１１上に造形物が形成される途上の様子を示す拡大図である。光ファイバ３２の先端はノズル３１の吐出口３１１よりも奥まった位置に位置し、吐出口３１１とステージ１１との間の距離が、光ファイバ３２の先端とステージ１１との間の距離よりも短くなっている。これにより、造形材料が光ファイバ３２に付着することが防止される。なお、造形が行われる前には造形物の形状を上下に多数並ぶ水平面で切断した断面形状のデータ（以下、「断面データ」という。）が別途設けられたコンピュータにより準備される。
【００３０】
図３はステージ１１上に造形物の１段目部位（最も下の断面形状に対応する部位であり、以下、１つの断面形状に対応する部位を「層」と呼ぶ。）が形成される様子を示す図である。図３に示す動作が行われる際には、コントローラ１７は、最下層の断面データに従って最下層の断面に含まれるノズル３１からのみ造形材料９１を吐出するようにバルブ群２２を制御する。また、吐出に同期してステージ１１を下降する。なお、１つの層の厚さは、例えば、約０．５ｍｍとされる。
【００３１】
ステージ１１の下降速度は、１つのノズル３１当たりのステージ１１上の面積（ノズル群が占める面積をノズル数で割った面積）と下降速度とを掛けた値が、１つのノズル３１から単位時間当たりに吐出される造形材料の体積と等しくなるように制御される。これにより、図３に示すように、吐出された造形材料９１が１つのノズル３１に対応する領域に十分に付与される。その結果、互いに隣接する複数のノズル３１から造形材料９１が吐出されると、隙間が生じることなく造形材料９１が上方に向かって蓄積される。
【００３２】
一方、造形材料９１の吐出と並行して光ファイバ３２から光の出射が行われ、造形材料９１の硬化が漸次行われる。光の出力は、造形材料９１が吐出直後に半硬化状態となって１つのノズル３１に対応する領域に広がった時点で速やかに硬化するように調整される。これにより、造形材料９１はステージ１１上にて水平方向へと不必要に広がる（だれる）ことが防止され、図３に示すようにステージ１１に対して上方へと造形材料９１が適正な幅で蓄積されていく。
【００３３】
図４は、造形物の下から２段目の断面形状に対応する部位が形成される様子を示す図である。図４では最も左側のノズル３１からの吐出が停止され、他のノズル３１からは最下層の造形材料９１上に２段目の層が物理的に連続して形成される。各光ファイバ３２からは光が出射され続ける。なお、造形材料９１の蓄積により上層が下層に対して物理的に連続して形成されることは、実質的に層が積層されることと等価であるため、以下の説明では、適宜「積層」という表現を用いる。図５は、造形物の下から３段目の断面形状に対応する層が形成される様子を示す図である。図５では左側の２つのノズル３１からの吐出が停止され、他のノズル３１からは２段目の層上に３段目の層が物理的に連続して積層される。各光ファイバ３２からは光が出射され続けられ、造形材料９１の硬化が行われる。
【００３４】
以上のように、造形装置１では造形物の形状に合わせて各ノズル３１からの吐出のＯＮ／ＯＦＦが制御される。これにより、２次元に配列されたノズル３１を用いて迅速に造形を行うことが実現される。また、吐出された造形材料９１は光により速やかに硬化されるため、造形物の形状精度の低下が抑えられる。さらに、造形物の外部の領域には不要な材料が存在しないため、造形後の処理（例えば、研磨等の表面処理）に際して煩雑な手続きが不要になるとともに材料を効率よく造形に利用することができる。
【００３５】
なお、光造形法と比較した場合、樹脂を貯留する樹脂槽が不要であり、かつ、光を走査する必要もないため、装置の小型化が実現される。また、未硬化の樹脂を再利用する手続きも不要となり、造形作業の簡素化が図られる。
【００３６】
図６はコントローラ１７の内部構成、コントローラ１７に接続される構成および断面データを生成するコンピュータ８を示すブロック図である。コンピュータ８には予めＣＡＤ等を用いて造形物の３次元の形状データ８１１がメモリ８１に準備され、既述のように造形物を多数積層された水平面で切断して得られる多数の断面形状を示す断面データ８１２が形状データ８１１から生成され、メモリ８１に準備される。そして、造形物の最も下の部位（最下層）に対応する断面データがコントローラ１７へと送信され、以後、１つ上側の部位（上層）に対応する断面データが順番にコントローラ１７へと送信される。
【００３７】
コントローラ１７は、バルブ群２２を制御する吐出制御部１７１、光ファイバ３２からの光の出射を制御する光照射制御部１７２、および、ステージ１１の下降を制御するステージ駆動部１７３を有し、それぞれバルブ群２２、光源ユニット１６および昇降機構１２に電気的に接続される。各制御部１７１、１７２、１７３は、断面データを処理する演算回路や各種構成への制御信号を生成するインターフェイス等により構成される。図３ないし図５に例示した動作は、ステージ駆動部１７３によるステージの下降に同期しつつ吐出制御部１７１が断面データに従って各バルブの開閉を制御することにより実現される。
【００３８】
ここで、造形装置１では光源ユニット１６も断面データに応じて制御されるようになっている。具体的には、図１に示す光源ユニット１６の複数の光源１６１のＯＮ／ＯＦＦが制御される。図７は光源１６１の制御の具体例を説明するための図であり、造形ヘッド２１の底面を抽象的に示している。図７において、上下左右に３つずつ配列された９つの領域２１０は、１つの光源１６１のＯＮ／ＯＦＦが制御されることにより光の出射が制御される光ファイバ群の範囲を示している。一方、太い実線にて囲まれる領域９１０は、断面データに従って吐出が行われるノズル群の範囲を示している。
【００３９】
図７では、左上の領域２１０および隣接する３つの領域２１０（合計４つの領域２１０）のみが領域９１０と重なる。図７に示す例の場合、造形装置１では領域９１０と重なる４つの領域２１０に対応する光源１６１のみが点灯され、他の５つの領域２１０に対応する光源１６１は消灯される。以上のように光照射制御部１７２が断面データに従って光ファイバ群からの光の出射を個別に制御することにより、造形装置１では不要な光源１６１の点灯を省略して消費電力の削減および光源ユニット１６における光源１６１の取り替え頻度の低減を実現している。
【００４０】
図８は第２の実施の形態に係る造形装置１を示す正面図である。第２の実施の形態に係る造形装置１は、第１の実施の形態と比べて、造形ヘッド２１の構造が異なり、バルブ群２２が省略され、光源ユニット１６の構造も相違する。他の構成は第１の実施の形態と同様であり、同符号を付している。
【００４１】
図９は造形ヘッド２１の一部を示す底面図である。造形ヘッド２１では造形要素３３が２次元に配列されている。図１０は１つの造形要素３３の底面を拡大して示す図である。造形要素３３は中央に造形材料を吐出口３３１ａから吐出するノズル３３１を有し、ノズル３３１の周囲を囲むように複数の光ファイバ３３２が配置される。光ファイバ３３２のさらに外側は樹脂カバー３３３にて被覆されている。具体的な一例としては、ノズル３３１は外径が３２０μｍ、内径が１４０μｍとされ、光ファイバ３３２の直径は７０μｍ、樹脂カバーは厚さは９０μｍとされる。この場合、全体の外径は６４０μｍとなる。
【００４２】
造形要素３３が配列されることにより、第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様に、造形ヘッド２１は２次元に配列された複数の吐出口３３１ａから造形材料を吐出する複数のノズルの集合（吐出部）と、複数の吐出口３３１ａが配列される領域に２次元に配列されて吐出された造形材料に向けて光を出射する複数の光出射要素の集合（光出射部）とが組み合わされた構造となっている。また、光ファイバ３２がノズル３１を囲むことにより、吐出と光照射とが１対１に正確に対応づけられる。
【００４３】
図１１は１つの造形要素３３の縦断面を示す図であり、造形材料９１が吐出される様子も示している。造形要素３３では、ノズル３３１の吐出口３３１ａに対して光ファイバ３３２の端面（光出射面）が奥側に位置し（すなわち、吐出口３３１ａとステージ１１との間の距離が光ファイバ３２の先端とステージ１１との間の距離よりも短い。）、樹脂カバー３３３の端部は光出射面よりもステージ１１側に突出している。ノズル３３１から吐出されて広がる造形材料９１の（水平面による）断面積は、第１の実施の形態と同様に吐出速度とステージ１１の下降速度がコントローラ１７により制御されることにより、およそ造形要素３３に対応する面積となるように調整される。なお、光ファイバ３３２の光出射面が奥に位置することから、ノズル３３１から吐出された造形材料９１が光出射面に付着してしまうことが防止される。
【００４４】
また、光出射面よりも下方においてノズル３３１の外周面３４１および樹脂カバー３３３の内周面３４２はメッキ等により鏡面とされている。したがって、図１１中に矢印にて示すように（右側の光ファイバ３３２に対してのみ図示）光ファイバ３３２から出射された光は外周面３４１および内周面３４２により反射されて造形材料９１の外周から内部に向かって効率よく入射する。その結果、造形材料９１の形状の変形を抑えつつ上方に向かって造形材料９１を適切な断面形状にて蓄積することが実現される。
【００４５】
１つの造形要素３３に含まれる複数の光ファイバ３３２は、１つの光ファイバ３２に束ねられて（すなわち、結合されて）図８に示すマニホールド２３内の隙間や脇を経由して光源ユニット１６へと導かれる。
【００４６】
図８に示すように、光源ユニット１６には１つの光源１６１が設けられ、光源１６１からの光は光学系１６２により光束断面において一様な強度を有する光束へと変換される。光源ユニット１６では、第１の実施の形態におけるミラー１６３に代えて、回動可能な微小なミラーを２次元に配列して有する空間光変調デバイス１６３ａが設けられる。これにより、光源ユニット１６側の一群の光ファイバ３２の端面に空間光変調された光が入射することとなる。１つの光ファイバ３２の端面は１つの微小ミラーに対応するように配置され、空間光変調デバイス１６３ａを制御することにより各造形要素３３からの光の出射のＯＮ／ＯＦＦが個別に制御することが可能とされる。すなわち、１つの造形要素３３に含まれる複数の光ファイバ３３２は制御単位となる１つの光出射要素となっている。
【００４７】
一方、既述のように第２の実施の形態に係る造形装置１は吐出を制御するバルブ群を有しないため、各造形要素３３からは一様に造形材料９１が吐出される。以上のように、造形装置１では、造形材料９１の吐出の制御に代えて光の出射を制御することにより、造形物の形成を実現するようになっている。
【００４８】
図１２ないし図１４は、第２の実施の形態に係る造形装置１にて造形物が製作される様子を例示する図である。以下の説明では、第１の実施の形態と同様に、造形物の１つの断面形状に対応する部位を「層」と呼ぶ。なお、図１２ないし図１４では硬化した造形材料９１に平行斜線を付している。
【００４９】
図１２は造形物の最下層が形成される様子を示しており、図１３は下から２番目の層、図１４は下から３番目の層が形成される様子を示している。図１２では全ての造形要素３３から造形材料９１の吐出および光の出射が行われ、全ての造形材料９１が硬化される。図１３では、最も左の造形要素３３からは造形材料９１の吐出が行われるが光の出射が停止され、未硬化の状態で最下層上に造形材料９１が蓄積される。なお、未硬化の造形材料９１は大きく変形する（すなわち、だれる）ことがない程度の粘度を有するものとする。
【００５０】
図１４は下から３番目の層が形成される際に、左側の２つの造形要素３３からの光の出射が停止されている様子を示している。以上のように、造形装置１では、吐出される造形材料９１の一部を造形物の断面形状に合わせて硬化させることにより、造形材料９１の塊の内部に造形物が存在するように造形材料９１の蓄積および硬化が行われて造形物が形成される。
【００５１】
ステージ１１上における造形物の形成が完了すると、造形物はステージ１１から外されて別の場所で周囲に付着している未硬化の造形材料９１が取り除かれる。これにより、図１５に例示するように硬化部分のみが造形物９２として取得される。
【００５２】
第２の実施の形態に係る造形装置１では、複数の造形要素３３から造形材料９１が吐出されることから、第１の実施の形態と同様に迅速に造形物を製作することができる。また、吐出された造形材料は光により速やかに硬化されるので、造形物の形状精度の低下も抑制することができる。第２の実施の形態では、第１の実施の形態と異なり吐出の制御は行われないことから、多数のバルブを配置することが不要となる。したがって、装置設計を容易に行うことができる。なお、光造形法と比較した場合、樹脂を貯留する樹脂槽が不要であり、かつ、光を走査する必要もないため、装置の小型化も実現される。
【００５３】
ところで、第２の実施の形態において吐出がある程度制御されてもよい。すなわち、造形要素３３を複数のグループに分け、グループ毎にバルブを設けて造形材料９１の吐出が個別に制御されてもよい。この場合、グループ内の全ての造形要素３３からの造形材料９１の吐出が不要な場合には、そのグループへの造形材料９１の供給が停止される。バルブは第１の実施の形態に準じてマニホールド２３と造形要素３３の各グループとの間に設けられる。
【００５４】
図９中の太い実線にて分けられた造形要素３３の１６個のグループ３３０は吐出が制御される単位を示している。例えば、断面データに従って図９中にて平行斜線を付す造形要素３３からのみ光の出射が必要な場合、左上側の９つ（＝３×３）のグループ３３０からのみ造形材料９１の吐出を行い、他の７つのグループ３３０からの吐出が停止される。これにより、不必要に造形材料９１を消費することが防止され、造形物の製作コストの削減が実現される。なお、吐出も制御される場合はコントローラ１７の内部構成は基本的には図６に示すものと同様となる。
【００５５】
図１６は本発明に関連する技術に係る造形装置１を示す正面図である。造形装置１は、第１の実施の形態と比較して、造形ヘッド２１の構造、および、ステージ１１上にサブステージ１１１および走査機構１１２が設けられる点で相違する。他の構成は第１の実施の形態と同様であり、同符号を付している。
【００５６】
図１７は造形ヘッド２１の一部を示す底面図である。造形ヘッド２１では、第１の実施の形態と同様の吐出口３１１を有する複数のノズル３１および複数の光ファイバ３２が図１６中に示すＸ方向（左右方向）に平行に配列されている。換言すれば、造形ヘッド２１はライン状に配列された複数の吐出口３１１から造形材料を吐出する複数のノズルの集合３１０（吐出部）と、複数の吐出口３１１に沿ってライン状に配列されて吐出後の造形材料に向けて光を出射する複数の光出射要素の集合３２０（光出射部）とが組み合わされた構造となっている。
【００５７】
サブステージ１１１は、ボールネジおよびモータを有する走査機構１１２によりガイドレールに沿っ図１６中のＹ方向（紙面に垂直な方向）に移動可能とされる。これにより、造形ヘッド２１が複数の吐出口３１１の配列方向に垂直な方向にサブステージ１１１に沿って相対的に走査される。
【００５８】
図１８ないし図２１は図１６に示す造形装置１により造形物がサブステージ１１１上に形成される様子を示す図である。造形に際してサブステージ１１１は移動機構により（−Ｙ）方向に移動する。これにより、造形ヘッド２１は相対的にサブステージ１１１上を（＋Ｙ）方向に移動する。図１８ないし図２０は、造形物の最下部の断面形状に対応する最下層が形成される様子を示しており、造形ヘッド２１が相対的に（＋Ｙ）方向に移動するに従って造形材料９１が（＋Ｙ）方向へとサブステージ１１１上に順次付与される。このとき、光ファイバ３２は造形ヘッド２１の相対的移動方向に関してノズル３１の後側に位置するため、吐出直後の造形材料９１に光が効率よく照射されて造形材料９１が順次硬化される。図１８ないし図２０では硬化した造形材料９１に平行斜線を付している。
【００５９】
各ノズル３１からの吐出は、第１の実施の形態と同様に、バルブ群２２（図１６参照）により個別に制御可能とされており、造形物の断面形状に対応する領域内に各ノズル３１が位置する間のみ造形材料９１の吐出が行われる。ノズル３１からの吐出を選択的に行うことにより、１つの断面形状に対応する領域内のみに層が形成される。造形ヘッド２１の相対的な（＋Ｙ）方向への１回の走査が終了すると、１つの層の形成が完了する。
【００６０】
続いて、昇降機構１２がステージ１１を１層分だけ下降するとともにサブステージ１１１が初期位置に復帰し、再度、造形ヘッド２１の相対的な走査が行われる。このとき、各ノズル３１からの吐出が選択的に行われ、図２１に示すように下から２番目の層が対応する断面形状に合わせて最下層上に形成される。ステージ１１を間欠的に下降させつつ造形ヘッド２１の相対的な走査および選択的な吐出が繰り返されることにより、下側から順次層が積層され、最終的には、図２２に例示するように造形物９２がサブステージ１１１上に形成される。
【００６１】
なお、図１６に示すように光源ユニット１６が複数の光源１６１を有する場合には、第１の実施の形態と同様に光ファイバ３２がグループ分けされ、光源１６１の点灯を制御することにより、光ファイバ群毎に点灯が制御されてもよい。
【００６２】
以上のように図１６に示す造形装置１では、ライン状に配列された複数の吐出口３１１から造形材料９１を吐出しつつ造形を行うため、第１の実施の形態と比べて造形機構１３の構造を大幅に簡素化することが実現される。また、複数の吐出口３１１から吐出を行うことにより、１つのノズルを用いて吐出を行う場合に比べて造形速度を向上することができる。さらに、吐出直後に造形材料９１が硬化するため、造形物の形状精度も損なわれることが防止される。
【００６３】
なお、光造形法と比較した場合、樹脂を貯留する樹脂槽が不要であることから装置の小型化が実現され、未硬化の樹脂を再利用する手続きも不要となる。
【００６４】
図２３は、第３の実施の形態に係る造形装置１を示す正面図である。造形装置１は、図１６に示す造形装置とほぼ同様であるが、造形ヘッド２１の構造が異なり、バルブ群２２が省略され、光源ユニット１６には第２の実施の形態と同様に１つの光源１６１および空間光変調デバイス１６３ａが設けられるという点で相違している。他の構成は図１６と同様であり、同符号を付している。
【００６５】
図２４は、第３の実施の形態における造形ヘッド２１の一部を示す底面図である。造形ヘッド２１では、造形材料９１を吐出する吐出口３１２がスリット状とされ、吐出口３１２と平行に複数の光ファイバ３２が配列される。換言すれば、造形ヘッド２１はライン状の吐出領域から造形材料を吐出するノズル（吐出部）と、吐出領域に沿ってライン状に配列されて吐出後の造形材料に向けて光を出射する複数の光出射要素の集合３２０（光出射部）とが組み合わされた構造となっている。
【００６６】
各光ファイバ３２は図２３に示すように上方の光源ユニット１６に接続され、第２の実施の形態と同様に、空間光変調デバイス１６３ａにより各光ファイバ３２への光の導入が個別に制御される。一方、スリット状の吐出口３１２から造形材料９１が一様に吐出される。また、図１６に示す造形装置と同様に、走査機構１１２により造形ヘッド２１がサブステージ１１１に沿って光ファイバ３２の配列方向に垂直な方向に相対的に走査され、光ファイバ３２はサブステージ１１１に対する相対的な移動方向に関して吐出口３１２の後側に位置し、光が効率よく造形材料に照射される。
【００６７】
造形に際しては、図１６に示す造形装置と同様に、サブステージ１１１を移動することにより造形ヘッド２１を（＋Ｙ）方向に相対的に走査し、１回の走査が終了すると、ステージ１１（およびサブステージ１１１）が１層分だけ下降する。第３の実施の形態では、造形ヘッド２１の走査に同期して各光ファイバ３２からの光の出射が制御される。これにより、吐出口３１２から略シート状にサブステージ１１１上に吐出された造形材料９１に対して、造形物の断面形状に対応する領域のみに光が照射される。
【００６８】
図２５は、以上の動作にて造形物の製作が行われる様子を示す図である。図２５において造形材料９１中に平行斜線を付す部分のみが硬化している。なお、図２５では最も（＋Ｘ）側の光ファイバ３２のみを図示しているが、他の光ファイバ３２においても選択的な光の出射が行われる。造形装置１における造形が完了すると、第２の実施の形態と同様に不要な造形材料９１の除去が行われ、最終的な造形物が取得される。
【００６９】
以上のように、第３の実施の形態に係る造形装置１では、スリット状の吐出口３１２から造形材料９１を吐出しつつ吐出口３１２を走査することにより造形材料９１を積層し、このとき複数の光ファイバ３２から選択的に光を出射して造形物の製作が行われるため、精度のよい造形物を迅速に製作することが実現される。なお、光造形法と比較した場合、樹脂を貯留する樹脂槽が不要であることから装置の小型化が実現される。
【００７０】
図２６は第２の実施の形態に係る造形要素３３の他の好ましい例を示す縦断面図であり、図２７は底面図である。図２６は図２７中に示す矢印Ａ−Ａの位置での断面に対応している。図２６および図２７に示す造形要素３３では、略Ｕ字状の吐出口３３１ｂを有するノズル３３１が被覆に覆われた光ファイバ３３２の周囲をほぼ囲むように設けられる。すなわち、ノズルと光ファイバとの包含関係が図１０に示すものと逆となっている。これにより、吐出と光照射とを正確に１対１に対応付けることができる。図２７に示すように光ファイバ３３２はノズル３３１に支持されるように設けられる。なお、図２６に示すように、光ファイバ３３２の光出射面は吐出口３３１ｂよりも奥に位置する。すなわち、吐出口３３１ｂとステージ１１との間の距離が光ファイバ３３２の先端とステージ１１との間の距離よりも短い。
【００７１】
造形要素３３から造形材料９１が吐出される際には、ステージ１１の下降速度が制御され、造形材料９１が下降するに従って断面形状が略Ｕ字状から徐々に略円形へと変化する。このとき、断面形状が略Ｕ字状の段階で中央の光ファイバ３３２から造形材料９１へと光が出射され、断面形状が略円形になる段階で硬化が完了するように吐出速度およびステージ１１の下降速度が制御される。吐出口３３１ｂを略Ｕ字状とすることにより、造形材料９１内に空気が滞留してしまうことが防止される。このように、ノズルと光ファイバとが一体的な造形要素として造形装置１に設けられる場合には、光ファイバを造形要素の中央に位置させることも可能である。
【００７２】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく様々な変形が可能である。
【００７３】
光硬化性を有する造形材料は可視光等の紫外線以外の光により硬化する樹脂であってもよい。
【００７４】
造形材料がある程度の粘度を有する場合には、ステージ１１（または、サブステージ１１１）は水平である必要はなく、この場合、ステージ１１と造形ヘッド２１との間の距離を変更する昇降機構１２の姿勢が図１等に示す状態から変更される。また、ステージ１１が固定され、造形ヘッド２１がステージ１１に対して垂直な方向やステージ１１に沿って移動してもよい。
【００７５】
また、光の出射は光ファイバ等の導光部材からの出射には限定されず、発光素子から直接光が造形材料に照射されてもよい。
【００７６】
第１の実施の形態では、光は吐出口３１１が配列される領域から出射されるのであるならば、他の手法により出射されてもよい。例えば、ノズル３１が取り付けられるベース部材から光が出射されてもよい。
【００７７】
第２の実施の形態では吐出範囲を制御する必要はない（あるいは、緻密に制御する必要はない）ことから、吐出口３３１ａを２次元に配列する代わりにスリット状の複数の吐出口が（吐出口が伸びる方向に対して垂直な方向に）配列されてもよい。すなわち、第２の実施の形態では、造形ヘッド２１の下面において２次元に広がる吐出領域に形成された複数の吐出口から吐出が行われるのであれば他の構造が採用されてもよく、これにより、迅速な造形が実現される。
【００７８】
また、第２の実施の形態や第３の実施の形態において各光ファイバ３２からの光の出射は回動可能な微小ミラー群を有するデバイスには限定されず、回折格子型の空間光変調デバイスや液晶等が用いられてもよい。さらには、微小な光源を配列することにより、空間光変調が行われてもよい。
【００７９】
第１の実施の形態における造形ヘッド２１は第２の実施の形態にて用いることも可能であり、第２の実施の形態における造形ヘッド２１（造形要素３３）を第１の実施の形態にて利用することも可能である。また、第１の実施の形態においてノズル３１と光ファイバ３２とがライン状に交互に配置されてもよい。すなわち、造形ヘッド２１の下面に少なくとも所定方向に関してノズル３１と光ファイバ３２とが交互に配置されることにより、吐出および硬化を２次元的に適切に行うことができる。
【００８０】
第３の実施の形態において複数のノズルがライン状に配列されてもよい。なお、第３の実施の形態にて複数のノズルを配列する場合、これらのノズルをグループ化してノズル群毎に吐出が制御されてもよい。また、図１０や図２７に示す造形要素３３が第３の実施の形態にて用いられてもよく、この場合であってもライン状の複数の吐出口におよそ沿う様に光出射領域か形成されることとなる。さらに、第３の実施の形態においてライン状の吐出口３１２とライン状の光ファイバ３２の集合体とが個別に移動してもよい。
【００８１】
なお、１つのノズルから吐出される造形材料は、隣接するノズルから吐出される造形材料の側方にも付着して硬化することから、吐出に際して必ずしも下側に硬化した層が存在する必要はない。すなわち、上記いずれの実施の形態に係る造形装置１においても、多少のオーバーハングを有する形状を造形することができる。
【００８２】
【発明の効果】
本発明によれば、造形材料の吐出により造形を行いつつ迅速に造形物を形成することができ、また、造形物の形状精度の低下も抑えることができる。
【００８３】
また、請求項１、２および５の発明では、造形材料を効率よく造形に利用することができる。
【００８４】
また、請求項２の発明では消費電力の低減を図ることができる。
【００８５】
また、請求項７および１０の発明では、光を効率よく造形材料に照射することができ、請求項８の発明では、光出射要素に造形材料が付着してしまうことを防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態に係る造形装置の構成を示す正面図である。
【図２】造形ヘッドの一部を示す底面図である。
【図３】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図４】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図５】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図６】コントローラの内部構成およびその周辺構成を示すブロック図である。
【図７】造形ヘッドの底面を抽象的に示す図である。
【図８】第２の実施の形態に係る造形装置の構成を示す正面図である。
【図９】造形ヘッドの一部を示す底面図である。
【図１０】造形要素の底面を拡大して示す図である。
【図１１】造形要素の縦断面図である。
【図１２】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図１３】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図１４】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図１５】造形物を例示する図である。
【図１６】関連する技術に係る造形装置の構成を示す正面図である。
【図１７】造形ヘッドの一部を示す底面図である。
【図１８】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図１９】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図２０】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図２１】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図２２】造形物を例示する図である。
【図２３】第３の実施の形態に係る造形装置の構成を示す正面図である。
【図２４】造形ヘッドの一部を示す底面図である。
【図２５】造形物が形成される様子を示す拡大図である。
【図２６】造形要素の他の好ましい例を示す縦断面図である。
【図２７】造形要素の底面図である。

Claims

造形材料を硬化させて３次元の造形を行う造形装置であって、
２次元に配列された複数の吐出口から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、
前記複数の吐出口からの造形材料の吐出を個別に制御する制御部と、
前記複数の吐出口から吐出された造形材料に向けて光を出射する光出射部と、
前記吐出部から吐出された造形材料が蓄積されるステージと、
前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構と、
を備え、
前記光出射部が、前記複数の吐出口が配列される領域に２次元に配列された複数の光出射要素を有することを特徴とする造形装置。
請求項１に記載の造形装置であって、
前記複数の光出射要素が複数の光出射要素群にグループ分けされており、
前記制御部が、前記複数の光出射要素群からの光の出射を光出射要素群毎に個別に制御することを特徴とする造形装置。
造形材料を硬化させて３次元の造形を行う造形装置であって、
２次元に広がる吐出領域に形成された複数の吐出口から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、
前記吐出領域に２次元に配列された複数の光出射要素を有し、前記複数の吐出口から吐出された造形材料に向けて光を出射する光出射部と、
前記複数の光出射要素からの光の出射を個別に制御する制御部と、
前記吐出部から吐出された造形材料が蓄積されるステージと、
前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構と、
を備えることを特徴とする造形装置。
請求項３に記載の造形装置であって、
前記複数の吐出口が前記吐出領域に２次元に配列されていることを特徴とする造形装置。
請求項３または４に記載の造形装置であって、
前記複数の吐出口が複数の吐出口群にグループ分けされており、
前記制御部が、前記複数の吐出口群からの造形材料の吐出を吐出口群毎に個別に制御することを特徴とする造形装置。
請求項１および２並びに請求項４および５のいずれかに記載の造形装置であって、
所定方向に関して吐出口と光出射要素とが交互に配列されることを特徴とする造形装置。
請求項１および２並びに請求項４および５のいずれかに記載の造形装置であって、
吐出口および光出射要素のうちの一方が他方の周囲を囲むことを特徴とする造形装置。
請求項６または７に記載の造形装置であって、
前記複数の吐出口と前記ステージとの間の距離が、前記複数の光出射要素の先端と前記ステージとの間の距離よりも短いことを特徴とする造形装置。
造形材料を硬化させて３次元の造形を行う造形装置であって、
ライン状の吐出領域から光硬化性の造形材料を吐出する吐出部と、
前記吐出領域に沿って配列された複数の光出射要素から吐出後の造形材料に向けて光を出射する光出射部と、
前記複数の光出射要素からの光の出射を個別に制御する制御部と、
前記吐出部から吐出された造形材料が積層されるステージと、
前記ステージに沿って前記吐出部および前記光出射部を前記複数の光出射要素の配列方向に垂直な方向に相対的に走査する走査機構と、
前記ステージと前記吐出部との間の距離を変更する距離変更機構と、
を備えることを特徴とする造形装置。
請求項９に記載の造形装置であって、
前記複数の光出射要素が、前記ステージに対する前記吐出部の相対的移動方向に関して前記吐出領域の後側に位置することを特徴とする造形装置。